Триботехнические характеристики твердосмазочных композиционных материалов

При трении в вакууме исследовались основные параметры трибологических характеристик композиционных твердых смазочных материалов — коэффициент трения /ф и интенсивность их изнашивания Л.

Экспериментальные исследования показали, что для снижения коэффициента трения /_ф и износа материалов в условиях вакуума, целесообразно использовать твердые смазочные покрытия, в которых связующим является эпоксидная смола в сочетании с твердой или жидкой смазкой и добавкой порошка газопоглотителя. Такое покрытие (рис. 10.3) наносится на трущуюся поверхность, например, втулки.

Рис. 10.3. Схематический срез твердосмазочного композиционного покрытия на основе полимера ЭД-5, наполненного порошком дисульфида молибдена и дисперсным газопоглотителем, нанесенного на поверхность металла.

Наличие газопоглотителя в композиции образца способствует адсорбции остаточных газов в зоне трения и образованию приповерхностной плотной пленки из адсорбированных молекул газа. В динамическом режиме трения скольжения пленка газа создает на границе трения «молекулярную воздушную подушку», которая уменьшает коэффициент трения и интенсивность изнашивания трущихся поверхностей.

На (рис. 10.4) представлены графики зависимости коэффициента трения frp втулок с различными композиционными твердыми смазочными покрытиями в паре с валиками (контртелом) из стали 45.

Рис. 10.4. Изменение коэффициента трения f_ip втулки с твердосмазочным покрытием в паре с валиком из стали 45 в процессе работы. Кривые 1−7 соответствуют номерам образцов в табл. 10.1.

Аналогичные результаты получены при использовании в качестве контртела валика из 12Х18Н10Т. Установлено, что наименьший коэффициент трения /ф имеют композиции на основе дисульфида молибдена MoS₂ в сочетании с геттером типа СаА, т. е. композиционного материала состава ЭС + MoS₂ + СаА.

На начальной стадии работы в вакууме пары трения полимерный композит — сталь наблюдаются повышенные значения параметров трибомеханических характеристик материала — коэффициент трения f_w и интенсивности его износа. В процессе работы трибосопряжения в его зоне трения формируется буферный квазижидкостной слой молекулярной рубашки за счет продуктов износа композита и наблюдается существенное снижение коэффициента трения f_Tp пары на 20…70% относительно начального значения, а интенсивность износа Л снижается до 10% от первоначальной величины.

Полимерные композиции при одновременном наполнении цеолитом и графитом (ЭС + С + КСМ, ЭС + С + СаА) имеют достаточно высокий коэффициент трения f_Tp в вакууме, а на стальных валиках (для силикагеля КСМ-6) наблюдается образование коррозийного слоя эрозии (ржавчины). Такое изменение происходит из-за способности цеолита КСМ интенсивно адсорбировать не только газы, но и пары воды, находящиеся в вакуумной камере, что приводит к коррозии поверхностного слоя стального валика.

На рис. 10.5 представлены графики зависимости интенсивности изнашивания J/, различных твердых смазочных покры;

Рис. 10.5. График изменения интенсивности изнашивания J_h твердосмазочного покрытия на основе эпоксидной смолы, наполненной порошками твердой смазки и дисперсным газопоглотителем, в процессе работы пары трения с сталью 45. Кривые 1−7 соответствуют номерам образцов в табл. 10.1.

тий с валиком из стали 45 (а также из стали 12Х18Н10Т) в функции времени. При этом валик также подвергается износу и интенсивность его износа зависит от состава образца композиции твердой смазки.

Согласно (рис. 10.5) интенсивность износа Л композиционных твердых смазочных покрытий на основе эпоксидной смолы с газопоглотителями типа СаА, силикагелем типа КСМ-6 и твердыми смазками M0S2 в паре со сталью 45 имеет наименьшее значение. Установлено, что наименьший весовой износ имеют втулки с твердыми смазочными покрытиями состава ЭС + M0S2 и ЭС + M0S2 + СаА.

Наблюдаемое снижение взаимодействия поверхностей трения возникает за счет наличия буферного приповерхностного слоя молекул остаточных газов (давление в которых составляет более ~ 10⁵Па) в виде «упругой воздушной подушки» связанной с заряженной поверхностью полимера композита Цеолиты, находящиеся в составе композиционной твердой смазки и подвергающиеся также износу в зоне трения, выполняет роль регулятора в поставке и абсорбции молекул газов при создании молекулярного слоя газа «подушки» в зоне контакта поверхностей трения, что существенно снижает взаимодействие этих поверхностей к минимальному значению.

Оптимизация состава композита. Поскольку цеолиты в трибоконтакте как выделяют ранее поглощенные молекулы газов так и связывают их на поверхности в зоне контакта пары, то выполняют роль регулятора динамического постоянства активного слоя газовой воздушной подушки в зоне трения. В процессе износа твердого слоя композиционного материала возникают газовые продукты разложения молекулярных комплексов структуры полимерной матрицы, а также за счет механохимических реакций при взаимодействии в зоне трения, которые также участвуют в образовании упругого слоя буферного воздушного слоя — подушки. Охлаждение узла трения способствует проявлению эффекта квазижидкостного снижения взаимодействия трущихся поверхностей. Использование цеолитов в качестве наполнителя также способствуют сохранению стабильного состояния металлической поверхности стали.

Включение в состав композиционного материала совместно частиц полупроводящего порошка твердой смазки M0S2 и цеолита СаА обеспечивает «оптимальные» обменные процессы зарядами в зоне трения (кривые 1 и 2, рис. 10.4 и рис. 10.5) и минимальные потери на преодоление латеральных сил при трении скольжения. Оптимальный состав композиционного твердосмазочного материала типа ЭС + M0S2 + СаА имеющего минимальное значение коэффициента трения при большей долговечности когда компоненты наполнителя присутствуют в материале в равных долях (см. табл. 10.2).

Таблица 10.2.

Влияние состава твердосмазочных покрытий ЭС + M0S2 + СаА на его триботехнические характеристики при работе в узле трения втулка — вал в вакууме ~ 5 -10'⁴ Па при 20 °C.

Наряду с этим использование порошка ПТФЭ в качестве наполнителя (кривая 4, рис. 10.4 и рис 10.5) не улучшаются триботехнические характеристики узла трения, поскольку нарушается динамическое равновесие быстропротекающих динамических процессов обмена зарядами при электризации в зоне трения из-за высоких значений величины и времени релаксации электретного состояния в диэлектрике из ПТФЭ.

При включении в состав композиционного полимера электропроводящего порошка графита (как хорошего антифрикционного материала) наблюдается подавление явления «квазижидкостного» трения (образец 8, табл. 10.1; кривые 5 и 7 на рис. 10.4, рис. 10.5 и кривые 1,2 и 8 на рис. 10.6).

Поскольку углеродные частицы являются хорошим проводником электричества, то попадая в зону трения они ускоряют процессы компенсации (рекомбинации активного состояния газовых частиц) зарядов в процессах электризации в зоне трения и, тем самым, подавляют условия образования буферного слоя «молекулярной воздушной подушки». Эго подтверждает выдвигаемое положение о доминирующем условии присутствия локальных электрических процессов в зоне трения для образования «молекулярной воздушной подушки» (кривая 8 на рис. 10.6).

Таким образом, вал внутри втулки узла трения находится в центрированном состоянии за счет упругой «молекулярной воздушной подушки». При повышении скорости скольжения трущихся поверхностей возможно проявление гидродинамического эффекта, в результате которого приповерхностный слой.

Рис. 10.6. График зависимости коэффициента трения f_w втулки с композиционным твердосмазочным покрытием в паре с валом из стали 45 от величины давления р в вакуумной камере при температуре 20 °С. Кривые 1, 2 и 8 соответствуют номерам образцов в табл. 10.1.

молекул остаточных газов будет сжимается в буферном слое трибоконтакта втулка — контртело за счет повышения давления в слое относительно вакуума за счет увеличения интенсивности генерации молекулярного состава активного полимолекулярного слоя. Это способствует центрированию вала вращения относительно втулки, что снижает триботехнические характеристики узла трения.

Путем наполнения полимерной матрицы (на основе эпоксидной смолы) совместно порошками дисульфида молибдена M0S2 и цеолита СаА повышается работоспособность твердосмазочного композиционного материала в вакууме до температур ~ 150… 170 °С.